RU158215U1 - Устройство мониторинга электрических параметров литий-тионилхлоридной батареи и поддержки ее в работоспособном состоянии - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к электротехнике, а точнее, к устройствам обслуживания батарей и содержания их в исправности, и может быть использована для контроля работоспособности и активации литиевых батарей, преимущественно, первичных литий-тионилхлоридных батарей (ЛТХБ) в процессе их эксплуатации в составе технических устройств и систем (ТУС), функционирующих в автономном режиме с электропитанием от ЛТХБ. Сущность полезной модели заключается в том, что в известное устройство, состоящее из микроконтроллера (МК), индикатора, разрядной цепи (РЦ), блока контроля параметров батареи (БКПБ), блока тестирования внутреннего сопротивления батареи (БТВСБ), памяти и ЛТХБ, которая своими с первого по третий портами соединена со вторым портом узла РЦ, со вторым портом узла БКПБ и со вторым портом узла БТВСБ, который первым портом соединен с первым портом узла МК, который своими со второго по пятый портами соединен, соответственно, со входом индикатора, с первым портом узла РЦ, с первым портом узла БКНБ и с портом узла памяти, и выполненное с возможностью мониторинга внутреннего сопротивления батареи (ВС) ЛТХБ в процессе ее эксплуатации, включая регистрацию в памяти начального значения внутреннего сопротивления (НЗВС) ЛТХБ, формирования с фиксацией в памяти порогового/допустимого значения внутреннего сопротивления (ПЗВС) ЛТХБ, периодического тестирования ВС ЛТХБ, фиксации и накопления в памяти измеренных (полученных в процессе тестирования ЛТХБ) значений ВС ЛТХБ, обработки накопленных в памяти значений ВС ЛТХБ и определения степени деградации ЛТХБ по величине ее ВС на основе сравнения текущего ВС ЛТХБ с ее ПЗВС, автоматического запуска процедуры активации ЛТХБ при достижении ВС ЛТХБ уровня, превышающего ПЗВС ЛТХБ, управления процедурой активации ЛТХБ, предусматривающей формирование импульса разрядного тока (ИРТ) с параметрами, установленными/рекомендованными производителем ЛТХБ, отображения на индикаторе состояния батареи, соответствующего работоспособности или потери ее работоспособности, если после выполнения процедуры активации/тестирования выходное напряжение ЛТХБ/ВС ЛТХБ находится, соответственно, в допустимых пределах или за ее пределами, дополнительно в его состав введены преобразователь тока и напряжения (ПТН), накопитель электроэнергии (НЭЭ), электронный коммутатор (ЭК) и термоэлектрический генератор (ТЭГ), который своим выходом соединен с первым портом ПТН, который вторым портом соединен с первым портом НЭЭ, который вторым портом соединен с шестым портом МК и первым портом ЭК, который своими третьим и вторым портами соединен, соответственно, с пятым портом ЛТХБ и с седьмым портом МК, при этом, узел ТЭГ выполнен с возможностью отбора/извлечения/использования тепловой энергии, выделяемой функциональными узлами устройства, в том числе элементами его конструкции, ЛТХБ и электронными компонентами, и преобразования тепловой энергии в электрическую энергию (ЭЭ), узел НЭЭ выполнен с возможностью накопления электроэнергии, поступающей с узла ТЭГ, и поддержки выходной мощности (уровней напряжения и тока), достаточной для активации ЛТХБ, кроме того, узел МК функционирует по программе, обеспечивающей возможность формирования ИРТ и выполнения процедур активации ЛТХБ с использованием ЭЭ, накопленной в узле НЭЭ. Введенные существенные признаки обеспечивают снижения потерь энергоресурса литийтионил-хлоридной батареи, расходуемого на процедуры активации, необходимые для поддержания ЛТХБ в работоспособном состоянии.

Description

Полезная модель относится к электротехнике, а точнее, к устройствам обслуживания батарей и содержания их в исправности, и может быть использована для контроля работоспособности и активации литиевых батарей, преимущественно, первичных литий-тионилхлоридных батарей (ЛТХБ) в процессе их эксплуатации в составе технических устройств и систем (ТУС), функционирующих в автономном режиме с электропитанием от упомянутых ЛТХБ.

При функционировании ТУС в автономном режиме с электропитанием от химических источников тока (ХИТ), к системе электропитания ТУС во многих приложениях предъявляются повышенные требования по обеспечению большой длительности автономной работы и сохранению работоспособности в сложных условиях эксплуатации при ограниченных массе и габаритах ТУС. Для удовлетворения этим требованиям электропитание ТУС должно осуществляться с использованием ХИТ с большими энергетическими характеристиками. По оценкам экспертов [Л1, Л2] самую большую плотность энергии обеспечивают литиевые батареи. При этом, среди литиевых батарей лучшими по большинству параметров являются элементы системы литий-тионлхлорид (Li/SOCl₂). Эти изделия характеризуются самым высоким выходным напряжением (3,6 В), максимальной электрической емкостью, широким диапазоном рабочих температур (могут работать при температуре -55…-60°C), способностью выдавать повышенные токи разряда и обеспечивают большой срок хранения, который может превышать более 10 лет. Превосходные качества литий-тионилхлоридных батарей, заключающиеся в том, что они являются мощными элементами питания, обладают исключительными энергетическими характеристиками, имеют низкий саморазряд, длительный срок хранения и широкий температурный диапазон, делают их востребованными для широкого круга потребителей (нефтяников, газовиков, геологов, военных и др.). Поэтому, ЛТХБ широко востребованы и активно используются для обеспечения электропитания различных видов ТУС. Следует отметить, что низкий ток саморазряда и весьма длительный срок хранения ЛТХБ обусловлен существованием тончайшей изолирующей пленки хлорида лития (ИПХЛ), образующейся на поверхности металлического литиевого электрода. Она возникает еще в момент сборки элемента на конвейерной линии предприятия-изготовителя, как только литий вступает в контакт с тионилхлоридом. А возникнув, она прерывает взаимодействие реагентов и останавливает реакцию. Образование и существование ИПХЛ проявляется главным образом в низком токе саморазряда батареи.

Исследования показали, что наличие ИПХЛ создает противоречивую ситуацию. С одной стороны, наличие ИПХЛ гарантирует необходимые (полезные) свойства: низкий ток саморазряда и длительный срок хранения ЛТХБ, поэтому ИПХЛ необходимо сохранять. С другой стороны, с течением времени, толщина хлорида лития нарастает и пропорционально ее толщине увеличивается и сопротивление изоляции, что вызывает снижение выходного напряжения ЛТХБ и приводит к уменьшению ее разрядного тока. В момент подключения нагрузки к ЛТХБ наблюдается понижение напряжения на ее выходных контактах. Если номинальное напряжение у ЛТХБ при стандартном токе разряда должно быть примерно 3,6 В, то из-за наличия значительного слоя ИПХЛ оно может понизиться до 2,3-2,7 В или еще ниже. Поэтому, для предотвращения снижения работоспособности ЛТХБ и предотвращения выхода из строя/отказа ТУС, получающих электропитание от этой ЛТХБ, ИПХЛ надо разрушать. Для разрушения ИПХЛ используется принудительный разряд ЛТХБ, что неизбежно ведет к снижению общего энергоресурса ЛТХБ. Очевидно, что для предотвращения преждевременной потери работоспособности ЛТХБ из-за ее периодических процедур разряда, разрушать ИПХЛ не надо. Однако, в этом случае из-за образования ИПХЛ происходит потеря способности ЛТХБ отдавать в нагрузку ток, предусмотренный спецификацией этого изделия, что может вызывать отказ в работе ТУС, питающейся от данной ЛТХБ. Образуется «замкнутый круг».

Как известно из техники [Л3], явление снижения выходного напряжения на выходе литиевой батареи при подключении к ней нагрузки называется эффектом пассивации, а процедуры, приводящие к устранению этого эффекта называются активацией/депассиваций ЛТХБ. В элементах питания пассивация играет двоякую роль. Положительная сторона пассивации в том, что она защищает гальванический элемент от заметной потери емкости, благодаря чему повышается срок хранения этого изделия. Однако, когда батарея хранится какое-то время и затем начинает использоваться (подключается к нагрузке), то начальное выходное напряжение батареи будет низким, так как покрытый слоем собственной соли литий уже не так химически активен по отношению к электролиту. Потребуется некоторое время, прежде чем рабочий ток разрушит пленку на поверхности металлического контакта и рабочее напряжение батареи выйдет на номинальный уровень. То есть, при подключении нагрузки к ЛТХБ возникает задержка напряжения, которая может вызывать сбои/отказы в работе ТУС. Наиболее уязвимы, с точки зрения возникновения отказов те ТУС, которые длительное время функционируют в режиме экономного энергопотребления (<1 мА) и периодически включаются в режим максимального энергопотребления, при котором ЛТХБ должна обеспечить номинальные/максимальные выходные значения напряжения и тока. Поскольку малый рабочий ток в течение длительного времени работы ТУС недостаточен для препятствия процессу образования ИПХЛ, то неизбежно происходит снижение работоспособности батареи, поскольку толщина ИПХЛ постоянно растет, вызывая повышение внутреннего сопротивления ЛТХБ и увеличение уровня ее пассивации, что сопровождается снижением выходного напряжения батареи под нагрузкой и ограничением выходного тока ЛТХБ. Кроме того, для ТУС, работающих в режиме микропотребления тока, существенной окажется и потеря емкости батареи, поскольку процент использования полезного вещества ЛТХБ уменьшается. При работе ЛТХБ на малых токах процесс пассивации проходит безостановочно, поэтому, активные вещества (литий и тионилхлорид) будут постоянно расходоваться на образование хлорида лития, что приведет к снижению емкости батареи. Установлено, что при работе ЛТХБ в составе ТУС, которое работает в режиме низкого энергопотребления, за 3 месяца может быть использовано около 90% емкости ее активного вещества. Если же ЛТХБ работает более 5 лет, то ее энергоресурс может быть реализован только на 65%, а остальной ресурс нейтрализуется в процессе непрекращающейся пассивации (образования ИПХЛ).

Создается ситуация, при которой, с одной стороны, эффект пассивации - продукт технологического характера и необходим для защиты гальванического элемента от заметной потери емкости из-за саморазряда, что обеспечивает сохранение работоспособности батареи в течении длительного времени (>10 лет). Поэтому пассивацию необходимо сохранять. С другой стороны, наличие пассивации ведет к снижению, как энергетического ресурса батареи, так и ее работоспособности/надежности (с точки зрения обеспечения бесперебойного электропитания ТУС), особенно в начальные моменты времени подключения нагрузки, что может вызывать сбои и отказы в работе технических устройств и систем, функционирующих в автономном режиме и питающихся от пассивированных ЛТХБ. Поэтому, пассивацию ЛТХБ необходимо устранять путем ее активации (депассивации). То есть, для разрушения ИПХЛ, которая непрерывно образуется в ЛТХБ, необходимо выполнять периодические процедуры активции/депассивации ЛТХБ. При этом энергетические затраты, связанные с активацией/депассивацией ЛТХБ это - вынужденные/необходимые потери энергоресурса ЛТХБ, связанные с поддержанием ее в рабочем состоянии. Очевидно, что расход энергоресурса ЛТХБ на проведение ее активации снижает количество энергоресурса ЛТХБ, который может быть использован на поддержание ТУС в рабочем состоянии, и существенно влияет, как на надежность, так и на длительность автономной работы ТУС.

Таким образом, в результате энергетических потерь, связанных с активацией ЛТХБ, уровень автономности ТУС, выражающийся в длительности автономного функционирования ТУС, может существенно снижаться или в работе ТУС могут возникать преждевременные отказы.

В вязи с эти возникает задача повышения надежности и длительности автономной работы ТУС, электропитание которых осуществляется от ЛТХБ.

Исследования показали, что наличие упомянутых противоречий, связанных с наличием эффекта пассивации и необходимости проведения процедур активации/депассивации ЛТХБ, в процессе которых часть энергоресурса ЛТХБ расходуется на поддержание ЛТХБ в работоспособном состоянии, усложняет решение поставленной задачи. Информационным/патентным поиском установлено, что известные из техники устройства/системы/технические решения, которые могут быть использованы для решения поставленной задачи, имеют существенные недостатки, поэтому поиск новых решений является актуальным.

По мнению авторов, повышение уровня надежности и длительности автономного функционирования ТУС, электропитание которых осуществляется от ЛТХБ, может быть достигнуто на основе минимизации энергетических потерь ЛТХБ, связанных с ее обслуживанием, которое может включать как контроль работоспособности ЛТХБ, так и ее активацию. Можно полагать, что при качественном обслуживании достигается, как минимизация энергетических потерь, связанных с активацией ЛТХБ, так и поддерживается полная работоспособность батареи (ПРБ), как способность отдавать в нагрузку значение тока, предусмотренного спецификацией производителя этого изделия (ЛТХБ) или как способность обеспечивать максимальный ток, потребляемый ТУС, в котором используется ЛТХБ.

Как установлено в процессе исследований, решение поставленной задачи весьма затруднено следующими обстоятельствами. Как известно из техники, суть активации ЛТХБ выражается в разрушении ИПХЛ путем выполнения принудительного разряда ЛТХБ импульсами тока в соответствии с рекомендациями производителя ЛТХБ, что неизбежно приводит к потере общего энергоресурса ЛТХБ. При этом, создается противоречивая ситуация, при которой, с одной стороны, чтобы обеспечить сохранение в течении длительного времени энергоресурс ЛТХБ - ее не надо принудительно разряжать. В таком случае из-за эффекта пассивации ЛТХБ ее работоспособность «угаснет» с течением времени. А с другой стороны, для поддержки работоспособности ЛТХБ и способности ее отдавать в нагрузку требуемый ток, ИПХЛ периодически надо разрушать, то есть подвергать ЛТХБ процедуре активации. Поскольку активация предусматривает принудительный разряд ЛТХБ, то это неизбежно ведет к снижению энергетического ресурса/емкости ЛТХБ и эффективности ее использования в составе ТУС. Частично данное противоречие устраняется, когда ЛТХБ находится на хранении, поскольку время ее хранения может быть точно установлено. В этом случае, перед вводом в эксплуатацию ЛТХБ, ее активируют в соответствии с рекомендациями производителя в соответствии с известными сроками хранения. После ввода ЛТХБ в эксплуатацию выполнять рекомендации производителя по активации батареи становится практически невозможно, поскольку она находится под воздействием неизвестных токовых нагрузок, одни из которых могут препятствовать процессу пассивации, а другие - способствовать. В результате этого, создается противоречивая ситуация, при которой, с одной стороны, для предотвращения отказов в работе ТУС необходимо чаще проводить активацию ЛТХБ, а с другой стороны, для обеспечения экономного расхода энергоресурса батареи, ее активацию надо выполнять реже. То есть, поддержка состояния полной работоспособности батареи (ПРБ) на практике весьма проблематична, что связано с действием объективных факторов, среди которых отсутствие сведений о сроках хранения и режимах эксплуатации ЛТХБ в составе ТУС. Это приводит к тому, что ЛТХБ может подвергаться процедуре активации или чрезмерно часто, или не своевременно. В первом случае ЛТХБ подвергается ускоренному износу и быстрой потере энергоресурса, а во втором, потере состояния ПРБ в результате ее пассивации.

Для решения поставленной задачи иногда используется известный из техники [Л3] способ снижения влияния эффекта пассивации ЛТХБ, предполагающий подключение параллельно ей конденсатора большой емкости (около 250 мкФ). Предполагается, что при включении электропитания ТУС, «провал» напряжения на выходе пассивированной ЛТХБ будет компенсирован энергией, запасенной в конденсаторе.

Недостатком данного способа является то, что он не обеспечивает депассивацию (активацию) батареи, а только лишь частично снижает влияние этого эффекта на выходное напряжение ЛТХБ при подключении нагрузки в виде ТУС. Эффективность данного способа весьма низкая, поскольку с течением времени пассивация развивается, что может привести к преждевременному выходу ЛТХБ из строя в силу причин, рассмотренных выше (увеличение толщины ИПХЛ, повышение внутреннего сопротивления, увеличение «провала» выходного напряжения при увеличении нагрузочного тока, потеря емкости), что может повлечь возникновение отказа (нарушение работоспособности) ТУС. Кроме того, во многих случаях ЛТХБ эксплуатируется в режиме микропотребления ТУС. В таком режиме эффект пассивации ЛТХБ развивается бесконтрольно и наличие упомянутого конденсатора совершенно не препятствует этому процессу, что существенно ограничивает эффективность применения данного способа. Возможность оптимизации/снижения расхода энергоресурса ЛТХБ на поддержание ее в рабочем состоянии, при использовании данного способа, - не обеспечивается.

Из техники [Л4] известен способ активации ЛТХБ, предусматривающий для батарей, находящихся на длительном хранении, проведение через каждые полгода процедуры активации с доведением выходного напряжения ЛТХБ до ее номинального напряжения. Способ предусматривает, перед введением в эксплуатацию, выполнять разряд ЛТХБ до тех пор, пока напряжение на ее выходе не достигнет номинального. При этом, осуществление упомянутой активации ЛТХБ осуществляется током, который должен быть примерно в 1~3 раза выше тока, потребляемого электронным устройством в его нормальном режиме работы. При выполнении активации допускается падение напряжения с 3.6 В до уровня 3 В. Время активации не должно превышать 5 минут. Если через 5 минут батарейка, которая хранилась полгода, не обеспечивает требуемый уровень выходного напряжения, принимается решение, что она уже неработоспособна и должна быть заменена.

Использование данного способа частично устраняет недостатки предыдущего способа, поскольку в процессе его использования может достигаться в той или иной мере активация ЛТХБ. Однако, эффективность использования данного способа весьма низкая. Это обусловлено следующими факторами субъективного и объективного характера. Так, при использовании данного способа, установленные регламенты/требования производителя батареи могут быть грубо нарушены, поскольку физические лица (ФЛ), выполняющие обслуживание ЛТХБ, могут иметь низкую подготовку и квалификацию. Допущенные нарушения нормативов, предусмотренных процедурой обслуживания (активации) ЛТХБ, например, из-за отвлечений, ошибок и значительных погрешностей при визуальном контроле процессов разряда ЛТХБ и измерениях напряжения на ее выходе, могут вызывать избыточный расход емкости ЛТХБ или ее неполную активацию. То есть, выполнение процедуры активации ЛТХБ в этом способе выполняется «на глаз»/примерно/без соблюдения строго регламента, что сказывается на качестве активации ЛТХБ и контроле ее работоспособности, поскольку может привести к частичному восстановлению работоспособности ЛТХБ или к чрезмерному расходу ресурса этой батареи (потери емкости). Кроме того, данный способ дает примерные рекомендации по активации ЛТХБ: «активация осуществляется током, который должен быть примерно в 1-3 раза выше тока, потребляемого электронным устройством в его нормальном режиме работы». Это также снижает эффективность использования данного способа и может вызывать ускоренный расход энергоресурса ЛТХБ, поскольку при ее активации потребитель может выполнять разряд ЛТХБ чрезмерно большими токами и/или чрезмерно длительное время, особенно, в условиях априорной неопределенности рабочих режимов ТУС, в которых будет использоваться ЛТХБ, отсутствия данных о сроках ее выпуска/хранения и/или эксплуатации в режиме разряда микротоками, не препятствующими пассивации ЛТХБ. Также, данный способ имеет низкую эффективность применения при эксплуатации ЛТХБ в составе ТУС. Это обусловлено тем, что при эксплуатации ТУС работа ЛТХБ осуществляется в комбинированном режиме, предусматривающем: хранение (ТУС - выключено), работу в микротоковом режиме, способствующем пассивации ЛТХБ, и работу с номинальной токовой нагрузкой. При таком режиме работы пользователю ТУС практически невозможно определить точную периодичность проведения процедуры активации ЛТХБ. Поэтому, активации будет проводиться случайным образом, скорее всего, более часто, чем требуется, для того, чтобы обеспечить состояние ПРБ. В этом случае ЛТХБ будет ускоренно терять свой энергоресурс. Если же активация будет проводиться редко, то за счет эффекта пассивации ЛТХБ может потерять свою работоспособность и вызвать отказ в работе ТУС. В данном способе возможность выполнения активации ЛТХБ с оптимизацией расхода/снижения энергоресурса на поддержание ее в рабочем состоянии - не обеспечивается.

Из техники [Л5] известен способ активации ЛТХБ, предполагающий, для аппаратуры, большую часть времени пребывающей в выключенном состоянии или потребляющей микротоки, перед началом использования по назначения, подвергать активации, выражающейся в том, что ЛТХБ вручную подключается к нагрузке на несколько секунд и, под контролем напряжения на клеммах, разряжается током, превышающем стандартный в несколько раз до тех пор, пока мощный разряд тока, протекающего через ЛТХБ, не разрушит изолирующую пленку, с завершением активации после того, как напряжение на нагрузке восстановится до рабочего уровня, за которым принимается значение напряжения, превышающее 3 В.

Данный способ можно считать более приемлемым, по сравнению с предыдущим, поскольку, согласно мнению большинства экспертов, более надежным критерием активации (депассивации) ЛТХБ является не полное восстановление номинального напряжения 3.6 В на выходе батареи, а достижение значения, превышающего 3 В, как предусмотрено в данном способе активации ЛТХБ. Именно такой критерий (достижение >3 В на выходе нагруженной ЛТХБ) может обеспечить более бережный расход энергоресурса обслуживаемой батареи.

Недостатки данного способа - аналогичные, как и у предыдущего способа. Данный способ также предлагает примерный режим обслуживания ЛТХБ: «выполнять разряд батареи током, превышающем стандартный в несколько раз». Данный способ депассивации ЛТХБ может вызывать существенное снижение ресурса ЛТХБ, поскольку при его использовании не регламентируется периодичность процедуры активации и воздействие на ЛТХБ осуществляется не нормированным по времени и значению тока «стрессовым» воздействием большими токами, что вызывает значительный расход емкости батареи и ускоренную выработку ее ресурса. Также, данный способ имеет низкий уровень эффективности, поскольку после установки ЛТХБ в ТУС, вопрос обслуживания ЛТХБ остается «открытым», то есть, как и когда эту процедуру выполнять - все на усмотрение пользователя, который лишен достоверной информации о степени износа и пассивации ЛТХБ. При использовании данного способа возможность обслуживания с минимизацией/снижением энергетических потерь, связанных с активацией ЛТХБ и организация такого обслуживания, при котором сохраняется способность ЛТХБ отдавать в нагрузку значение тока, предусмотренного спецификацией производителя или поддерживать максимальный ток потребления ТУС, - не обеспечивается.

Из техники [Л6] известно устройство, состоящее из батареи последовательно соединенных химических источников тока (далее - батарея), блока балансировки и контроля параметров батареи (БКПБ), разрядной цепи (РЦ), индикатора и блока управления (БУ), который своими с первого по третий портами соединен, соответственно, со входом индикатора, с первым портом узла РЦ и с первым портом узла БКПБ, который вторым портом соединен с первым портом батареи, которая вторым портом соединена со вторым портом узла РЦ, при этом, узел БУ выполнен с возможностью контроля работоспособности батареи по данным, поступающим с узла БКПБ, который выполнен с возможностью контроля напряжения на элементах батареи и балансировки их токовой нагрузки.

Устройство функционирует следующим образом. В исходном состоянии узлом БКПБ осуществляется измерение напряжения на элементах батареи. Тестирование батареи осуществляется кратковременным подключением к ней узла РЦ, который эмулирует нагрузку с ее номинальным током. Если в процессе тестирования напряжение на батарее находится в пределах допустимых значений, то на индикатор выводится сообщение об исправности батареи. В простейшем случае индикатор может быть двухцветным светодиодом, зеленое или красное свечение которого может свидетельствовать, соответственно, об исправности или разряженном состоянии батареи. Предполагается, что наличие тестового режима может обеспечить устранение пассивации батареи. В рабочем состоянии, при подключении нагрузки (после включения электропитания ТУС), батарея начинает разряжаться. Уровень напряжения на элементах батареи контролируется узлом БКПБ. В процессе разряда батареи или при воздействии на нее больших разрядных токов, напряжение на отдельных элементах батареи может уменьшаться, что свидетельствует о их разряде или снижении работоспособности. В этих случаях, узлом БКПБ под управлением узла БУ осуществляется балансировка элементов батареи, обеспечивающая перераспределение токовой нагрузки между элементами батареи. Если в процессе эксплуатации напряжение на батарее снизится ниже допустимого значения, то этот факт будет зафиксирован узлом БУ, который включит на индикаторе режим индикации факта, что батарея разряжена/не работоспособна.

Данное устройство частично устраняет недостатки предыдущего устройства. Это обусловлено тем, что в устройстве предусмотрена процедура тестирования батареи, которая позволяет контролировать работоспособность батареи и своевременно оповещать пользователя ТУС о ее состоянии с помощью индикатора. Кроме того, узлом БКПБ обеспечивается балансировка токовой нагрузки на элементы батареи, что обеспечивает повышение ее работоспособности.

Данное техническое решение имеет недостатки, аналогичные предыдущему устройству. Так, тестирование батареи, не обеспечивает достоверного контроля работоспособности батареи, поскольку ее пассивация может развиваться постепенно и на этапе тестирования номинальным нагрузочным током не обнаруживаться и не устраняться. Кроме того, тестирование батареи номинальным током не обеспечивает проверку ее работоспособности при максимальном рабочем токе ТУС. Частое тестирование батареи, осуществляемое при каждом включении электропитания ТУС, с одной стороны, способствует частичной активации, однако ведет к повышенному расходу ее энергоресурса. Следует также заметить, что балансировка токовой нагрузки на элементы батареи может в ряже случаев способствовать развитию процесса пассивации отдельных элементов батареи, потому, что действие импульсов повышенного тока, способного разрушить ИПХЛ, снижается узлом БКПБ.

Можно полагать, что для сохранения высокого уровня работоспособности ЛТХБ, необходимо осуществлять мониторинг степени ее пассивации и выполнять активацию ЛТХБ только лишь по мере необходимости.

Исследования показали, что минимизация энергетических затрат (МЭЗ), связанных с активацией ЛТХБ, весьма проблематична, поскольку пассивация ЛТХБ зависит от многих факторов, учет влияния которых на формирование ИПХЛ в ЛТХБ практически учесть/предсказать невозможно. При разных температурах и токовых режимах, воздействующих на ЛТХБ, степень ее пассивации будет различной, поэтому, точное определение момента, когда необходимо провести активацию ЛТХБ, весьма затруднительно. Создается противоречивая ситуация, при которой, с одной стороны, для обеспечения состояния ПРБ необходимо ЛТХБ активировать часто, что приводит к ускоренному расходу ее энергоресурса. С другой стороны, для экономного расхода энергоресурса ЛТХБ, необходимо проводить ее активацию как можно реже, может нарушить работоспособность ЛТХБ и вызвать сбои/отказы в работе ТУС.

По мнению авторов, наиболее близким по технической сущности к заявленному объекту (прототипом) является, известное из техники [Л7] устройство (далее - устройство), состоящее из микроконтроллера (МК), индикатора, разрядной цепи (РЦ), блока контроля параметров батареи (БКПБ), блока тестирования внутреннего сопротивления батареи (БТВСБ), памяти и шины электропитания (ШЭП), которая своими с первого по третий портами соединена, соответственно, со вторым портом РЦ, со вторым портом БКПБ и со вторым портом БТВСБ, который первым портом соединен с первым портом МК, который своими со второго по пятый портами соединен, соответственно, со входом индикатора, с первым портом РЦ, с первым портом БКПБ и с портом памяти, и выполненное с возможностью подключения к четвертому и пятому портам ШЭП, соответственно, внешней нагрузки (ВН) и литий-тионилхлоридной батареи (ЛТХБ), обеспечивающей энергоснабжением ВН, хранения в памяти данных, характеризующих пороговое значение внутреннего сопротивления упомянутой ЛТХБ (ПЗВСБ), пороговое значение напряжения упомянутой ЛТХБ (ПЗНБ), значение тестовой нагрузки (ЗТН) на ШЭП и длительность действия тестовой нагрузки (ДДТН) на ШЭП, контроля текущего значения напряжения упомянутой ЛТХБ (ТЗНБ) и текущего значения внутреннего сопротивления упомянутой ЛТХБ (ТЗВСБ), обработки результатов измерений электрических параметров упомянутой ЛТХБ, включая сравнение ТЗВСБ с ПЗВСБ и сравнение ТЗНБ с ПЗНБ, эмуляцию в ШЭП режима тестовой нагрузки с параметрами ЗТН и ДДТН в случаях, когда ТЗВСБ больше или равно ПЗВСБ и/или ТЗНБ меньше или равно ПЗНБ, отображения на индикаторе состояния упомянутой ЛТХБ, соответствующего работоспособности или потери ее работоспособности, если ТЗВСБ и ТЗНБ находятся, соответственно, в допустимых пределах или за ее пределами.

Функциональная схема данного устройства приведена на фиг. 1. Устройство (фиг. 1) состоит из микроконтроллера (МК) 1, индикатора 2, разрядной цепи (РЦ) 3, блока контроля параметров батареи (БКПБ) 4, блока

тестирования внутреннего сопротивления батареи (БТВСБ) 5, памяти 6 и шины электропитания (ШЭП) 8, которая своими с первого по третий портами соединена, соответственно, со вторым портом узла РЦ 3, со вторым портом узла БКПБ 4 и со вторым портом узла БТВСБ 5, который первым портом соединен с первым портом узла МК 1, который своими со второго по пятый портами соединен, соответственно, со входом индикатора 2, с первым портом узла РЦ 3, с первым портом узла БКПБ 4 и с портом узла памяти 6. При этом, устройство выполнено с возможностью подключения к четвертому и пятому портам ШЭП 8, соответственно, внешней нагрузки (ВН) 9 и литий-тионилхлоридной батареи (ЛТХБ) 7, обеспечивающей энергоснабжением ВН 9, хранения в памяти 6 данных, характеризующих пороговое значение внутреннего сопротивления упомянутой ЛТХБ 7 (ПЗВСБ), пороговое значение напряжения упомянутой ЛТХБ 7 (ПЗНБ), значение тестовой нагрузки (ЗТН), эмулируемой/ подключаемой к ШЭП 8 и длительность действия тестовой нагрузки (ДДТН) на ШЭП 8, контроля текущего значения напряжения упомянутой ЛТХБ 7 (ТЗНБ), контроля текущего значения внутреннего сопротивления упомянутой ЛТХБ 7 (ТЗВСБ), обработки результатов измерений электрических параметров упомянутой ЛТХБ 7, включая сравнение ТЗВСБ с ПЗВСБ и сравнение ТЗНБ с ПЗНБ, эмуляцию в ШЭП 8 режима тестовой нагрузки с параметрами ЗТН и ДДТН в случаях, когда ТЗВСБ больше или равно ПЗВСБ и/или ТЗНБ меньше или равно ПЗНБ, отображения на индикаторе 2 состояния упомянутой ЛТХБ 7, соответствующего работоспособности или потери ее работоспособности, если ТЗВСБ и ТЗНБ находятся, соответственно, в допустимых пределах или за ее пределами.

Устройство (фиг. 1) функционирует следующим образом. В исходном состоянии нагрузка 9 отключена (ТУС выключено), ЛТХБ 7 отключена. Послед подключения к четвертому и пятому порту ШЭП 8, соответственно, нагрузки 9 и ЛТХБ 8, начинается работа устройства в следующем порядке. С помощью узлов БКПБ 4 и БТВСБ 5 производится измерение электрических

параметров ЛТХБ 7. Результаты измерений в виде ТЗНБ и ТЗВСБ поступают на узел МК 1, где сравниваются с данными ПЗНБ и ПЗВСБ, хранящимися в узле памяти 6. В дальнейшем, измерение электрических параметров ЛТХБ 7 и сравнение их с пороговыми значениями периодически повторяется, например, один раз в сутки. В случаях, когда ТЗНБ≤ПЗНБ или ТЗВСБ≥ПЗВСБ, узлом МК 1 осуществляется включение узла РЦ 3 для создания тестовой нагрузки на ШЭП 8 с параметрами, соответствующими ЗТН и ДДТНИ. На индикаторе 2 отображается состояния упомянутой ЛТХБ 7, соответствующее работоспособности или потере ее работоспособности, если ТЗВСБ и/или ТЗНБ находятся, соответственно, в допустимых пределах или за ее пределами. В простейшем случае, индикация исправного или неисправного состояния ЛТХБ 7 может отображаться, соответственно, зеленым или красным свечением индикатора 2.

Данное техническое решение частично устраняет недостатки предыдущего устройства. Это достигается за счет того, что в данном техническом решении для повышения качества обслуживания упомянутой ЛТХБ 7 (подключаемой к пятому порту ШЭП 8) применяется периодическая проверка ее электрических параметров (ТЗВСБ и ТЗНБ), что позволяет выполнять обслуживание ЛТХБ 7 по мере достижения/ превышения ее электрических параметров критических/ пороговых значений (ПЗВСБ и ПЗНБ). То есть, обслуживание ЛТХБ7 может выполняться только по мере необходимости, что обеспечивает возможность снижения периодичности обслуживания батареи и, соответственно, снижения суммарных энергетических потерь ЛТХБ 7 (далее - батарея) на ее обслуживание (поддержание в работоспособном состоянии) в процессе всего периода эксплуатации.

Недостатком данного устройства является высокий уровень потерь энергоресурса батареи (ЭРБ), которые связанны с ее обслуживанием, включающим затраты на контроль состояния (проверку уровня работоспособности) и восстановление работоспособности батареи. Низкое качество обслуживания батареи, подключенной к пятому порту ШЭП,

существенно влияет на надежность и длительность автономной работы нагрузки 91 ТУС, электропитания которой осуществляется от упомянутой батареи 7, поскольку большое количество ее емкости расходуется в процессе обслуживания. При этом, возможность снижения уровня потерь ЭРБ на поддержание батареи в работоспособном состоянии отсутствует, поскольку единственным источником мощности, который может быть использован для растворения ИПХЛ, которая образуется на электроде батареи и вызывает ее пассивацию, является сама батарея.

По мнению авторов, устранить недостатки данного устройства можно на основе организации обслуживания упомянутой ЛТХБ с использованием энергии потерь, представляющей собой часть мощности ЛТХБ, расходуемой батареей в процессе ее эксплуатации. Так, в процессе энергоснабжения нагрузки/ ТУС часть энергии батареи, из-за низкого коэффициента полезного действия узлов/ компонентов, из которых состоит нагрузка/ ТУС, превращается в тепловую энергию. Также сама батарея под действием нагрузки достаточно сильно нагреваться. Как известно из [Л8], для характеристики эффективности системы (устройства, машины) в отношении преобразования или передачи энергии используется коэффициент полезного действия (η - кпд), который определяется отношением полезно использованной энергии W_пол к суммарному количеству энергии W_сум и обозначается обычно в виде:

Так, в электрических двигателях кпд - отношение совершаемой (полезной) механической работы к электрической энергии, получаемой от источника, в тепловых двигателях кпд - отношение полезной механической работы к затрачиваемому количеству теплоты, в электрических трансформаторах кпд - отношение электромагнитной энергии, получаемой во вторичной обмотке, к энергии, потребляемой первичной обмоткой. В силу своей общности понятие кпд позволяет сравнивать и оценивать с единой точки зрения такие различные системы, как атомные реакторы, электрические

генераторы и двигатели, различные ТУС, теплоэнергетические установки, полупроводниковые приборы, биологические объекты и т.д. Из-за неизбежных потерь энергии на трение, на нагревание окружающих тел и т.п. кпд всегда меньше единицы. Соответственно этому, кпд выражается в долях затрачиваемой энергии, т.е. в виде правильной дроби или в процентах, и является безразмерной величиной, например, кпд тепловых электростанций достигает 35…40%, двигателей внутреннего сгорания - 40…50%, динамомашин и генераторов большой мощности - до 95%, трансформаторов - до 98%. Как известно из [Л9], теоретический (реальный) коэффициент полезного действия усилителей мощности звуковой частоты класса А, В и АВ составляет, соответственно, 50% (15-30%), 78% (50-60%) и около 60% (40-50%). Как известно из [Л 10], в ТУС типа миниатюрных радиостанций кпд передатчика существенно зависит от типа используемой антенны и условий связи. Так, при работе на эквивалент нагрузки либо на идеально настроенную стационарную антенну передатчик обеспечивает кпд около 50%, а при работе на укороченную штатную антенну - всего лишь около 25%. При работе радиостанции внутри железобетонных помещений с использованием штатной гибкой антенны кпд передатчика может еще больше уменьшаться. То есть, значительная часть энергии (до 75%) может теряться и превращаться в энергию тепла, что вызывает нагрев ТУС (корпуса, ХИТ, транзисторов, микросхем и др.). Поскольку типовые ТУС функционируют с кпд, меньшим единицы и энергия потерь наиболее часто проявляется в виде тепловой энергии, выделяемой на конструктивных элементах и электро/ радикомпонентах ТУС, включая элементы батареи химических источников тока (БХИТ), то вполне рациональным решением является использование этой энергии для обслуживания ЛТХБ 7, подключаемой к пятому порту ШЭП 8 (далее - батарея или ЛТХБ).

Согласно идее авторов, дальнейшее снижение затрат энергоресурса ЛТХБ на ее обслуживание может быть достигнуто на основе использования энергии потерь батареи, доступной для получения в виде энергии тепла,

которая образуется/ выделяется в процессе эксплуатации ЛТХБ и функционирования нагрузки/ ТУС.Такой подход к решению поставленной задачи базируется на том факте, что часть электроэнергии, потребляемой нагрузкой/ ТУС, превращается в тепловую (энергию потерь, которая вызывает нагрев компонентов и узлов ТУС). Это обусловлено тем, что функциональные узлы ТУС работают с коэффициентом полезного действия меньшим единицы, что приводит к тому, что часть потребляемой ими электрической энергии (ЭЭ) превращается в тепловую. Например, работа выходных каскадов усилителей мощности НЧ/ ВЧ/ СВЧ сопровождается нагревом радиоэлектронных компонентов (РЭК) типа транзисторов/ микросхем и элементов конструкции РЭА (радиаторов, корпусов) РЭА. То есть, при эксплуатации РЭА значительная часть энергоресурса ЛТХБ может превращаться в энергию потерь (безвозвратно теряться/ преобразовываться в тепловую энергию и рассеиваться на РЭК, элементах конструкции РЭА и в окружающем пространстве). При этом, создается противоречивая ситуация, при которой, с одной стороны, для обеспечения необходимых технических характеристик ТУС радиоэлектронные компоненты использовать надо. Использование РЭК в составе ТУС может вызывать значительные потери энергоресурса ЛТХБ на нагрев РЭК, в том числе, из-за их низкого кпд. Поэтому, для предотвращения непроизводительных расходов емкости ЛТХБ (снижения энергетических потерь) РЭК использовать не надо. Однако, реализация РЭА с необходимыми техническими характеристиками без использования РЭК невозможна, а достижение 100% кпд всех РЭК, используемых в РЭА, ограничено факторами технологического характера.

Целью полезной модели является снижение расхода энергоресурса литий-тионилхлоридной батареи (ЛТХБ) на ее обслуживание.

Поставленная цель достигается за счет того, что в известное устройство, состоящее из микроконтроллера (МК), индикатора, разрядной цепи (РЦ), блока контроля параметров батареи (БКПБ), блока тестирования внутреннего

сопротивления батареи (БТВСБ), памяти и шины электропитания (ШЭП), которая своими с первого по третий портами соединена, соответственно, со вторым портом узла РЦ, со вторым портом узла БКПБ и со вторым портом узла БТВСБ, который первым портом соединен с первым портом узла МК, который своими со второго по пятый портами соединен, соответственно, со входом индикатора, с первым портом узла РЦ, с первым портом узла БКПБ и с портом узла памяти, и выполненное с возможностью подключения к четвертому и пятому портам ШЭП, соответственно, внешней нагрузки (ВН) и литий-тионилхлоридной батареи (ЛТХБ), обеспечивающей энергоснабжение ВН, хранения в узле памяти контрольных данных, включая пороговое значение внутреннего сопротивления упомянутой ЛТХБ (ПЗВСБ), пороговое значение напряжения упомянутой ЛТХБ (ПЗНБ), значение тестовой нагрузки (ЗТН) и длительность действия тестовой нагрузки (ДДТН), контроля электрических параметров упомянутой ЛТХБ, включая измерение текущего значения напряжения батареи (ТЗНБ) и текущего значения внутреннего сопротивления батареи (ТЗВСБ), обработки результатов измерений электрических параметров упомянутой ЛТХБ, включая сравнение ТЗВСБ с ПЗВСБ и сравнение ТЗНБ с ПЗНБ, создания/ эмуляции в ШЭП режима тестовой нагрузки (РТР) с заданными параметрами (ЗТН и ДДТН) в случаях, когда ТЗВСБ больше или равно ПЗВСБ и/или ТЗНБ меньше или равно ПЗНБ, управления током, протекающим по ШЭП, путем изменения параметров ЗТН и ДЭН, отображения на индикаторе состояния упомянутой ЛТХБ, соответствующего работоспособности/ исправности или потери ее работоспособности, если., ТЗВСБ и ТЗНБ находятся, соответственно, в допустимых пределах или за ее пределами, дополнительно в его состав введены преобразователь тока и напряжения (ПТН), накопитель электроэнергии (НЭЭ), электронный коммутатор (ЭК) и термоэлектрический генератор (ТЭГ), который своим выходом соединен с первым портом ПТН, который вторым портом соединен с первым портом НЭЭ, который вторым портом соединен с шестым портом МК и первым портом ЭК, который

своими третьим и вторым портами соединен, соответственно, с шестым портом ШЭП и с седьмым портом МК, при этом, узел ТЭГ выполнен с возможностью отбора/ извлечения/ использования тепловой энергии, выделяемой функциональными узлами устройства, в том числе его электронными компонентами, элементами конструкции и упомянутой ЛТХБ, и преобразования тепловой энергии в электрическую энергию (ЭЭ), узел НЭЭ выполнен с возможностью накопления в узле НЭЭ электроэнергии, поступающей с узла ТЭГ, с мощностью (уровнем напряжения и тока), достаточной для поддержки в ШЭП необходимого/ заданного режима тестовой нагрузки, узел МК выполнен с возможностью функционирования по программе, обеспечивающей контроль/ измерение уровня выходного напряжения узла НЭЭ, коммутацию/ подключение узла НЭЭ к ШЭП при достижении выходного напряжения узла НЭЭ номинального значения, суммирования мощностей НЭЭ и упомянутой ЛТХБ для создания в ШЭП тестового режима с необходимыми/ заданными параметрами, определяемыми ЗТН и Д ДТН.

Функциональная схема устройства мониторинга электрических параметров литий-тионилхлоридной батареи и поддержки ее в работоспособном состоянии (далее - устройство) представлена на фиг. 2. Устройство (фиг. 2) состоит из микроконтроллера (МК) 1, индикатора 2, разрядной цепи (РЦ) 3, блока контроля параметров батареи (БКПБ) 4, блока тестирования внутреннего сопротивления батареи (БТВСБ) 5, памяти 6, накопителя электрической энергии (НЭЭ) 10, преобразователя тока и напряжения (ПТН) 11, термоэлектрического генератора (ТЭГ) 12, электронного коммутатора (ЭК) 13 и шины электропитания (ШЭП) 8, которая своими первым, вторым, третьим и шестым портами соединена, соответственно, со вторым портом РЦ 3, со вторым портом БКПБ 4, со вторым портом БТВСБ 5 и с третьим портом ЭК 13, который вторым портом соединен с седьмым портом МК 1, который своими с первого по шестой портами соединен, соответственно, с первым портом БТВСБ 5, со входом

индикатора 2, с первым портом РЦ 3, с первым портом БКПБ 4, с портом памяти бис первым портом ЭК 12 и вторым портом НЭЭ 10, который первым портом соединен со вторым портом ПТН 11, который первым портом соединен с выходом ТЭГ 12, при этом, узел ШЭП 8 выполнен с возможностью подключения к его четвертому и пятому портам, соответственно, внешней нагрузки (ВН)9 и литий-тионилхлоридной батареи (ЛТХБ) 7, обеспечивающей энергоснабжение ВН 9, узел памяти 6 выполнен с возможностью хранения контрольных данных, включая пороговое значение внутреннего сопротивления упомянутой ЛТХБ 7 (ПЗВСБ), пороговое значение напряжения упомянутой ЛТХБ 7 (ПЗНБ), значения параметров режима тестовой нагрузки, действующей на ШЭП 8, в том числе, значение тестовой нагрузки/ сопротивления (ЗТН) и длительность действия тестовой нагрузки (ДДТН) на ШЭП 8, узел БКПБ 4 выполнен с возможностью измерения текущего значения напряжения упомянутой ЛТХБ 7 (ТЗНБ), узел БТВСБ 5 выполнен с возможностью измерения текущего значения внутреннего сопротивления упомянутой ЛТХБ 7 (ТЗВСБ), узел ТЭГ 12 выполнен с возможностью отбора/ извлечения/ использования тепловой энергии, выделяемой функциональными узлами устройства, в том числе его электронными компонентами, элементами конструкции и упомянутой ЛТХБ 7, и преобразования тепловой энергии в электрическую энергию (ЭЭ), узел НЭЭ 10 выполнен с возможностью накопления электроэнергии, поступающей с узла ТЭГ 12, с мощностью (уровнем напряжения и тока), достаточной для поддержки в ШЭП 8 режима тестовой нагрузки (с заданными/ необходимыми параметрами ЗТН и ДДТН), узел МК 1 выполнен с возможностью функционирования по программе, обеспечивающей контроль/ измерение уровня выходного напряжения узла НЭЭ 10, обработку результатов измерений электрических параметров упомянутой ЛТХБ 7, включая сравнение ТЗВСБ с ПЗВСБ и сравнение ТЗНБ с ПЗНБ, и в случаях, когда ТЗВСБ больше или равно ПЗВСБ и/или ТЗНБ меньше или равно ПЗНБ, создания в ШЭП 8 режима тестовой нагрузки (с заданными/

необходимыми параметрами ЗТН и ДДТН) с использованием суммарной мощности упомянутой ЛТХБ 7 и узла НЭЭ 10, а также отображение на индикаторе 2 состояния упомянутой ЛТХБ 7, соответствующего работоспособности/ исправности или потери ее работоспособности/ неисправности, если ТЗВСБ и ТЗНБ находятся, соответственно, в допустимых пределах или за ее пределами

Устройство (фиг. 2) функционирует следующим образом. В исходном состоянии устройство выключено. После подключения к четвертому и пятому портам ШЭП 8, соответственно, нагрузки 9 и ЛТХБ 7, начинается подготовительная работа устройства. С помощью узла ТЭГ 12 осуществляется отбор/ извлечение/ тепловой энергии, выделяемой функциональными узлами устройства, в том числе его электронными компонентами, элементами конструкции и упомянутой ЛТХБ 7. При этом, в узле ТЭГ 12 вырабатывается электроэнергия по принципу, известному из техники [Л11]. Далее, с помощью узла ПТН 11 выполняется преобразование напряжения/ тока к виду/ значению, необходимому для зарядки НЭЭ 10. При достижении номинального уровня напряжения на выходе НЭЭ 10 устройство готово к применению. Узел НЭЭ 10 выполнен с возможностью накопления ЭЭ, с мощностью (уровнем напряжения и тока), достаточной для поддержки в ШЭП 8 режима тестовой нагрузки (с заданными/ необходимыми параметрами ЗТН и Д ДТН). В рабочем состоянии устройство функционирует аналогично прототипу. В отличии от устройства- прототипа, при обнаружении фактов снижения уровня работоспособности упомянутой ЛТХБ 7 ниже допустимого уровня, когда ТЗНБ≥ПЗНБ и/или ТЗВСБ≤ПЗВСБ, узлом МК 1 включается узел ЭК 13 и происходит подключение узла НЭЭ 10 к ШЭП 8 с последующим суммированием мощности двух источников тока (МДИТ) - НЭЭ 10 и упомянутой ЛТХБ 7, что используется для ее обслуживания. При этом, формирование тестового режима в ШЭП 8 при воздействии на нее МДИТ, ограничивается/ устанавливается тестовой нагрузкой (РЦ 3) и регламентируется параметрами ЗТН и ДДТН, которые

устанавливаются в соответствии с рекомендациями производителя упомянутой ЛТХБ 7.

Данным устройством реализуется новая функция, выражающаяся в компенсации энергетических потерь упомянутой ЛТХБ 7 при ее обслуживании, что достигается за счет использования энергии, накапливаемой в узле НЭЭ 10. Энергия потерь ЛТХБ 7, выделяемая в устройстве в виде тепла, используется вторично за счет преобразования ее в электрическую энергию, накапливаемую в узле НЭЭ 10. Это адекватно повышению коэффициента полезного действия/ использования ЛТХБ 7 (η), который с использованием выражения (1) может быть представлен в следующем виде:

где W_бат - общий энергоресурс ЛТХБ 7, W_н - часть энергоресурса ЛТХБ 7, расходуемого на электропитание нагрузки 9, W_a - часть энергоресурса ЛТХБ 7, расходуемого на обслуживание ЛТХБ 7, W_т - часть энергоресурса ЛТХБ 7, который преобразуется в энергию тепла и в данном техническом решении преобразуется в электрическую энергию, накапливаемую в НЭЭ 10. Поскольку обслуживание ЛТХБ 7, осуществляется с использованием электроэнергии, накопленной в НЭЭ 10, то наличие параметра W_т в выражении (2) приводит к увеличению параметра β.

В предлагаемом устройстве обеспечивается следующее сочетание отличительных признаков и свойств.

В состав устройства дополнительно введены преобразователь тока и напряжения (ПТН), накопитель электроэнергии (НЭЭ), электронный коммутатор (ЭК) и термоэлектрический генератор (ТЭГ), который своим выходом соединен с первым портом ПТН, который вторым портом соединен с первым портом НЭЭ, который вторым портом соединен с шестым портом МК и первым портом ЭК, который своими третьим и вторым портами соединен, соответственно, с шестым портом ШЭП и с седьмым портом МК.

Узел ТЭГ выполнен с возможностью отбора/ извлечения/ использования тепловой энергии, выделяемой функциональными узлами устройства, в том числе его электронными компонентами, элементами конструкции и упомянутой ЛТХБ, и преобразования тепловой энергии в электрическую энергию (ЭЭ).

Узел НЭЭ выполнен с возможностью накопления электроэнергии с мощностью (уровнем напряжения и тока), достаточной для энергообеспечения тестового режима ШЭП с заданными параметрами (ЗТН и ДДТН).

Узел МК выполнен с возможностью функционирования по программе, обеспечивающей контроль/ измерение уровня выходного напряжения узла НЭЭ, коммутацию/ подключение узла НЭЭ к ШЭП при достижении выходного напряжения узла НЭЭ номинального значения, суммирования мощностей НЭЭ и упомянутой ЛТХБ для создания в шине электропитания тестового режима с необходимыми/ заданными параметрами (ЗТН и ДДТН).

Введение и использование указанных признаков и свойств позволяет существенно снизить расход энергоресурса литий-тионилхлоридной батареи (ЛТХБ) на ее обслуживание за счет использования новой функции -компенсации энергетических потерь упомянутой ЛТХБ при ее обслуживании.

Техническим результатом (TP), обеспечиваемым данным устройством, является снижение энергетических затрат ЛТХБ на ее обслуживание, что достигается за счет сбора, накопления и повторного использования энергии потерь ЛТХБ, выделенной в виде тепла, для ее обслуживания. Поскольку обслуживание упомянуто ЛТХБ 7 осуществляется с использованием суммарной мощности двух источников тока (НЭЭ 10 и упомянутой ЛТХБ 7), то это позволяет снизить расход энергоресурса ЛТХБ для создания в ШЭП 7 соответствующего тестового режима, необходимого для обслуживания ЛТХБ 7.

Сочетание отличительных признаков и свойств, предлагаемого устройства мониторинга электрических параметров литий-тионилхлоридной батареи и поддержки ее в работоспособном состоянии из техники не известно» поэтому оно соответствует критерию новизны. При этом, для достижения максимального эффекта по снижению потерь энергоресурса литийтионил-хлоридной батареи, расходуемого на ее обслуживание, необходимо использовать всю совокупность отличительных признаков и свойств, указанных выше.

Обобщенный алгоритм функционирования предлагаемого устройства может быть представлен в следующем виде.

- Начало;

- Шаг-1. Инициализация узла МК 1, переход к шагу 2.

- Шаг-2. Зарядка НЭЭ 10, переход к шагу 3

- Шаг-3. Проверка: напряжение на НЭЭ 10 - в норме? - Если да, то переход к шагу 4, если нет, то возврат к шагу 2.

- Шаг-4. Проверка: ТЗВСБ<ПЗВСБ и ТЗНБ>ПЗНБ? - Если да, то возврат к шагу 4, если нет, то переход к шагу 5.

- Шаг-5. Формирование в ШЭП режима тестовой нагрузки: включение узла ЭК 13, суммирование мощности ЛТХБ 7 и узла НЭЭ 10, подключение тестовой нагрузки с величиной ЗТН на время ДДТН, переход к шагу 6.

- Шаг-6. Проверка: ТЗВСБ<ПЗВСБ и ТЗНБ>ПЗНБ? - Если да, то переход к шагу 2, если нет, то переход к шагу 7.

- Шаг-5. Завершение работы: вывод на индикатор 2 сообщения об разряде/ потери работоспособности узла ЛТХБ 7.

- Конец.

Узлы МК 1, индикатора 2, РЦ 3, БКПБ 4, БТВСБ 5, памяти 6 и ШЭП 8 могут быть аналогичными соответствующим признакам устройства-прототипа и не требуют значительной доработки при реализации предлагаемого технического решения. При этом, узел МК 1 также может

быть реализован на основе PIC-контроллеров, известных из [Л 12], узел памяти 6 также может быть реализован с использованием микросхем HY27(U/S)SXX561M [Л 13] - семейства энергонезависимой Flash памяти, построенной по NAND технологии, узел БТСБ 5 также может быть реализован по аналогии с известным из техники [Л 14] изделием типа измерителя внутреннего сопротивления ХИТ, позволяющего тестировать ХИТ различных электрохимических систем и измерять их полное внутреннее сопротивление и его составляющие (омическую и поляризационную) в широком диапазоне напряжений и емкостей ХИТ. Узел НЭЭ 10 может быть реализован на основе суперконденсаторов, которые по сравнению с химическими источникам тока обеспечивают практически неограниченное количество циклов заряда/ разряда. При этом, предпочтительно использовать микросуперконденсаторы [Л 15], отличающиеся миниатюрностью (всего несколько микрометров) и высокой скоростью разряда/ заряда. Узел ПТН 11 может быть реализован на основе МС типа LTC3108 [Л 16], которая представляет собой повышающий DC/DC-преобразователь, способный запускаться и работать от экстремально низких источников напряжения, таких как термоэлектрические генераторы (узел ТЭГ 12). Благодаря использованию авторезонансной топологии микросхема способна работать с входными напряжениями до 20 мВ, что позволяет отбирать энергию внешней среды от незначительной разницы ее температур. LTC3108 использует небольшой стандартный повышающий трансформатор, имеет встроенный стабилизатор напряжения 2,2 В с низкими потерями и конфигурируемый выход фиксированного напряжения (2,35; 3,3; 4,1 или 5 В). МС способна запасать энергию в отдельном конденсаторе, обеспечивая питание устройств даже в случае отсутствия входного сигнала. Ключевые особенности LTC3108: входное напряжение от 20 мВ, конфигурируемое выходное напряжение 2,35; 3,3; 4,1 или 5 В, LDO 2,2 В на 3 мА, выход питания с управлением логическим сигналом, выход резервной энергии, выход сигнал

питание в норме и собственное энергопотребление не более 6 мкА. Узел ТЭГ 12 может быть реализован на основе миниатюрного термоэлектрического генератора, известного из [Л 17] от корейского института KAIST. Это изделие отличается высоким уровнем эффективности, выполнено в виде миниатюрной, гибкой конструкции, что позволяет размещать ее на поверхностях различной конфигураци и использовать их тепло для выработки ЭЭ. При площади около 10 кв. см, весе менее 13 грамм и при комнатной температуре его мощности хватает, чтобы вырабатывать электроэнергию мощностью до 40 мВт. Альтернативным вариантом реализации узла ТЭГ 12 является использование миниатюрного тонкопленочного термоэлектрического генератора (TEG™) [Л 18] от компании Nextreme. Это изделие обеспечивает выработку энергии плотностью более 3 Вт/см². Тонкопленочный термоэлектрический генератор компании Nextreme вырабатывает более 100 мВт энергии при разнице температур 70 К и более 300 мВт при разнице температур в 120К. Модули размером всего 3,5×3,5 мм позволяют получить на выходе мощность плотностью порядка 1-3 Вт/см². Узел ЭК 13 может быть реализован на основе аналоговых ключей серии ADG801 [Л 19] от компания Analog Devices, которые обладают самыми лучшими в отрасли показателями сопротивления во включенном состоянии (Ron). Эти ключи гарантированно обеспечивают Ron менее 1 Ом во всем диапазоне напряжений и рабочих температур.

Для реализации узлов предлагаемого устройства с необходимыми признаками, свойствами и обеспечения функционирования узла МК 1 по требуемым алгоритмам, также могут быть использованы решения и программные процедуры, известные из авторских программ для ЭВМ [Л20-Л23] и авторских технических решений [Л24-Л28].

На основе приведенных данных можно заключить, что предлагаемая полезная модель устройства мониторинга электрических параметров литий-тионилхлоридной батареи и поддержки ее в работоспособном состоянии, за

счет использования указанных выше отличительных признаков и свойств и реализации достигаемого технического результата, позволяет решить поставленную задачу, связанную с повышением надежности и длительности автономной работы ТУС при его электропитании от ЛТХБ.

Поддержка высокого уровня работоспособности батареи достигается на основе мониторинга ее электрических параметров (внутреннего сопротивления и выходного напряжения) и формирования в ШЭП тестового режима, обеспечивающего обслуживание батареи с использованием суммарной мощности двух источников тока (НЭЭ и ЛТХБ), в случаях выходы электрических параметров батареи за пределы допустимых значений. Использование суммарной мощности двух источников тока обеспечивает снижение затрат энергоресурса ЛТХБ на ее обслуживание. Это позволяет увеличить количество энергии батареи, используемой для обеспечения автономного функционирования нагрузки/ ТУС, то есть, повысить надежность/ длительность автономной работы ТУС.

Приведенные средства, с помощью которых возможно осуществление полезной модели, позволяют обеспечить ее промышленную применимость.

Основные узлы предлагаемой полезной модели устройства мониторинга электрических параметров литий-тионилхлоридной батареи и поддержки ее в работоспособном состоянии экспериментально испытаны и могут быть использованы при создании серийных образцов. Производимые устройства, соответствующие предлагаемому техническому решению, могут быть использованы для обслуживания литиевых, преимущественно, литий-тионилхлоридных батарей, используемых, для обеспечения работы ТУС, функционирующих в автономном режиме с электропитанием от ХИТ типа ЛТХБ.

Предлагаемое техническое решение будет востребовано широким кругом пользователей различных устройств и систем, функционирующих с использованием автономных ХИТ типа ЛТХБ. Использование устройства мониторинга электрических параметров литий-тионилхлоридной батареи и

поддержки ее в работоспособном состоянии обеспечивает возможность сохранения высокого уровня работоспособности ЛТХБ с минимальными затратами, что повышает надежность и длительность автономного функционирования как потребительской РЭА, так и техники специального назначения.

ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ИСТОЧНИКИ

1. Литиевые первичные тионил-хлоридные батареи, http: //www.proelectro.ru/products/id_28188

2. Продукция компании SCHOTT Electronic Packaging Home и области применения, http: //www.schott.com.epackaging/russian/auto/others/battery.html?so=russia&lang=russian

3. Пассивация в гальванических элементах, http: //www.rusilicon.net/elements/passivaciya-v-galvanicheskix-elementax.html

4. Статья Л. Вихарева «И вновь о правильном питании, или некоторые особенности эксплуатации литиевых батарей», http: //www.kit-e.ru/articles/powersource/2006_4_160.php

5. Пассивация химических источников тока, http: //www.ekohit.ru

6. Патент на полезную модель №83657 «Резервированный блок электроники для литий-ионной аккумуляторной батареи», дата публикации 10.06.2009 г.

7. Устройство тестирования и активации литий-тионилхлоридной батареи, Патент №127520, дата регистрации 27.04.2013 г

8. Коэффициент полезного действия, http: //dic.academic.ru/dic.nsfbse/

9. Усилители. Классификация усилителей мощности звуковой частоты, http: //www.hifiaudio-spb.ru/ampl3.html

10. Портативная Си-Би радиостанция "Беркут-601 мини", http: //www.kbberkut.ru/601 m.htm

11. Термоэлектрический генератор, http: //dic.academic.ru/dic.nsf/es/57040/

12. Микроконтроллеры серии PIC18FX5XX с поддержкой шины USB2.0, http: //www.trt.ru/products/microchip/pic18_2.htm

13. Микросхема 256 Мб NAND Flash памяти HY27(U/S)SXX561M, http: //www.gaw.ru/html.cgi/txt/ic/Hynix/memory/nand_flash/256M.htm

14. Измеритель внутреннего сопротивления ХИТ, http: //www.megaron.su/content/view/360/9/

15. Микросуперконденсатор, http: //www.dailytechinfo.org/nanotech/1572-issledovateli-sozdali-sverxmoshhnoe-sredstvo-aldaimulirovaniya-yenergii-mikrosuperkondensator.html

16. Микросхема Linear Technology LTC3108, http: //ptelectronics.ru/ novosti/novaya-mikrosxema-linear-technology-trebuet-minimalnogo-pitaniya/

17. Термоэлектрический генератор для зарядки гаджетов, http: //pcnews.ru/news/termoelektriceskij_generator_gadzetov-532093.html

18. Термоэлектрический генератор TEG™ с тонкопленочной наноструктурой, http: //www.elinform.ru/news_84.htm

19. Аналоговые ключи, http: //www.analog.com/ru/switchesmultiplexers/analog-switches/products/index.html

20. Программа для ЭВМ «Драйвер светоиндикаторного устройства», Свидетельство о государственной регистрации №2011610487 от 13.11.2010 г., правообладатель - ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ

21. Программа для ЭВМ «Программа автоматизированной обработки данных», Свидетельство о государственной регистрации №2009613019 от 10.06.2009 г., правообладатель - ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ

22. Программа для ЭВМ «Менеджер сенсора», Свидетельство о государственной регистрации №2009610444 от 20.11.2008 г., правообладатель - ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ

23. Программа для ЭВМ «Программа приема и обработки аналоговых сигналов», Свидетельство о государственной регистрации №2011610486 от 11.01.2011 г., правообладатель - ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ

24. Патент на изобретение №2289856 «Устройство индикации» от 20.12.2006 г., патентообладатель - ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ

25. Патент на полезную модель №98641 «Устройство заряда никель-кадмиевых аккумуляторов и контроля их работоспособности» от 20.10.2010 г., патентообладатель - ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ

26. Патент на полезную модель №114226 «Устройство обслуживания аккумулятора и контроля его работоспособности» от 10.03.2012 г., патентообладатель - ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ

27. Патент на полезную модель №114227 «Устройство заряда аккумулятора и защиты его от перегрузок» от 10.03.2012 г., патентообладатель - ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ

28. Патент на полезную модель №114228 «Устройство заряда элемента аккумулятора с ограничением и сигнализацией его токовых перегрузок» от 10.03.2012 г., патентообладатель - ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ.

Claims (1)

1. Устройство мониторинга электрических параметров литий-тионилхлоридной батареи и поддержки ее в работоспособном состоянии, состоящее из микроконтроллера (МК), индикатора, разрядной цепи (РЦ), блока контроля параметров батареи (БКПБ), блока тестирования внутреннего сопротивления батареи (БТВСБ), памяти и шины электропитания (ШЭП), которая своими с первого по третий портами соединена, соответственно, со вторым портом РЦ, со вторым портом БКПБ и со вторым портом БТВСБ, который первым портом соединен с первым портом МК, который своими со второго по пятый портами соединен, соответственно, со входом индикатора, с первым портом РЦ, с первым портом БКПБ и с портом памяти, и выполненное с возможностью подключения к четвертому и пятому портам ШЭП, соответственно, внешней нагрузки (ВН) и литий-тионилхлоридной батареи (ЛТХБ), обеспечивающей энергоснабжением ВН, хранения в памяти данных, характеризующих пороговое значение внутреннего сопротивления упомянутой ЛТХБ (ПЗВСБ), пороговое значение напряжения упомянутой ЛТХБ (ПЗНБ), значение тестовой нагрузки (ЗТН) на ШЭП и длительность действия тестовой нагрузки (ДДТН) на ШЭП, контроля текущего значения напряжения упомянутой ЛТХБ (ТЗНБ) и текущего значения внутреннего сопротивления упомянутой ЛТХБ (ТЗВСБ), обработки результатов измерений электрических параметров упомянутой ЛТХБ, включая сравнение ТЗВСБ с ПЗВСБ и сравнение ТЗНБ с ПЗНБ, эмуляцию в ШЭП режима тестовой нагрузки с параметрами ЗТН и ДДТН в случаях, когда ТЗВСБ больше или равно ПЗВСБ и/или ТЗНБ меньше или равно ПЗНБ, отображения на индикаторе состояния упомянутой ЛТХБ, соответствующего работоспособности или потери ее работоспособности, если ТЗВСБ и ТЗНБ находятся, соответственно, в допустимых пределах или за ее пределами, отличающееся тем, что в его состав дополнительно введены преобразователь тока и напряжения (ПТН), накопитель электроэнергии (НЭЭ), электронный коммутатор (ЭК) и термоэлектрический генератор (ТЭГ), который своим выходом соединен с первым портом ПТН, который вторым портом соединен с первым портом НЭЭ, который вторым портом соединен с шестым портом МК и первым портом ЭК, который своими третьим и вторым портами соединен, соответственно, с шестым портом ШЭП и с седьмым портом МК, при этом ТЭГ выполнен с возможностью сбора тепловой энергии, выделяемой функциональными узлами устройства, в том числе его электронными компонентами, элементами конструкции, нагрузкой и упомянутой ЛТХБ, и преобразования тепловой энергии в электрическую энергию (ЭЭ), НЭЭ выполнен с возможностью накопления электроэнергии с мощностью, достаточной для энергообеспечения тестового режима ШЭП, МК выполнен с возможностью функционирования по программе, обеспечивающей контроль уровня выходного напряжения НЭЭ, управления подключением НЭЭ к ШЭП и поддержки в ШЭП необходимого/ заданного тестового режима с использованием суммарной мощности упомянутой ЛТХБ и НЭЭ.

   

Images